有機(jī)太陽(yáng)能電池獲得超過(guò)13%的能量轉(zhuǎn)換效率

魏志祥

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有機(jī)太陽(yáng)能電池獲得超過(guò)13%的能量轉(zhuǎn)換效率

魏志祥

(國(guó)家納米科學(xué)中心，北京 100190)

有機(jī)太陽(yáng)能電池(簡(jiǎn)稱(chēng)OSCs)是一種新型的光伏器件，可以通過(guò)低成本的溶液加工方法制備大面的柔性器件，得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注1{姚惠峰, 2016 #5868}。有機(jī)光活性材料(包括電子給體和電子受體)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用是提高OSCs能量轉(zhuǎn)換效率(簡(jiǎn)稱(chēng)PCE)的重要途徑。富勒烯衍生物在以往的研究中是應(yīng)用最為廣泛的電子受體材料，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，以聚合物和小分子作為電子給體的OSCs都取得了11%以上的PCE2,3。然而，鑒于富勒烯類(lèi)受體材料可見(jiàn)光區(qū)吸收較弱、分子能級(jí)調(diào)制困難以及相應(yīng)電池器件能量損失大等缺點(diǎn)，其效率的進(jìn)一步提升面臨著較大的挑戰(zhàn)。最近幾年，非富勒烯類(lèi)受體材料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用取得了較大的進(jìn)展，基于此OSCs已經(jīng)取得了趕超富勒烯型OSCs的PCE。例如，2015年，占肖衛(wèi)等4率先報(bào)道了非富勒烯受體材料ITIC，采用PTB7-Th作為給體材料，取得了7.52%的PCE；侯劍輝等5采用自主設(shè)計(jì)的聚合物給體材料PBDB-T與ITIC率先制備了PCE超過(guò)11%的非富勒烯型OSCs，表明非富勒烯型OSCs具有廣闊的發(fā)展前景。如何通過(guò)光活性材料的分子設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高富勒烯型OSCs的PCE具有十分重要的意義。

最近，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所侯劍輝研究員和姚惠峰等人通過(guò)對(duì)非富勒烯型OSCs中給受體材料的協(xié)同優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了電池效率的突破，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在上6。在該工作中，他們將氟原子分別引入到給體材料PBDB-T和受體材料ITIC上，設(shè)計(jì)合成了新的給受體材料PBDB-T-SF和IT-4F。結(jié)果表明，氟化的給受體材料分子能級(jí)(HOMO和LUMO)同時(shí)降低，因此并沒(méi)有損失電池器件的開(kāi)路電壓；值得注意的是，修飾后給受體材料的吸收系數(shù)有明顯的增強(qiáng)，并且IT-4F的吸收光譜比ITIC有17 nm的紅移，寬而強(qiáng)的光吸收性能使電池的短路電流密度提升至20.50 mA?cm–2，并最終取得了13.1%的PCE。該結(jié)果得到中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院的驗(yàn)證，是目前報(bào)道OSCs的最高驗(yàn)證效率。此外，他們發(fā)現(xiàn)在光活性層厚度為100–200 nm之間，OSCs都可以獲得12%以上的效率；另外，在1700 h的氮?dú)鈿夥沾鎯?chǔ)后，電池仍可以接近12%的PCE。

這一研究成果表明光活性材料的分子設(shè)計(jì)與優(yōu)化對(duì)于提升非富勒烯型OSCs的PCE具有重要的意義，同時(shí)也證明了非富勒烯OSCs的性能具有廣闊的提升空間，在未來(lái)的產(chǎn)業(yè)化制備中具有巨大的潛力。

(1) Yao, H. F.; Hou, J. H.. 2016,, 1468. [姚惠峰, 侯劍輝. 高分子學(xué)報(bào), 2016,, 1468.] doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2016.16216

(2) Deng, D.; Zhang, Y.; Zhang, J.; Wang, Z.; Zhu, L.; Fang, J.; Xia, B.; Wang, Z.; Lu, K.; Ma, W.; Wei, Z.2016,, 13740. doi: 10.1038/ncomms13740

(3) Zhao, J.; Li, Y.; Yang, G.; Jiang, K.; Lin, H.; Ade, H.; Ma, W.; Yan, H.2016,, 15027. doi: 10.1038/nenergy.2015.27

(4) Lin, Y.; Wang, J.; Zhang, Z. G.; Bai, H.; Li, Y.; Zhu, D.; Zhan, X.2015,, 1170. doi: 10.1002/adma.201404317

(5) Zhao, W.; Qian, D.; Zhang, S.; Li, S.; Inganas, O.; Gao, F.; Hou, J.2016,, 4734. doi: 10.1002/adma.201600281

(6) Zhao, W.; Li, S.; Yao, H.; Zhang, S.; Zhang, Y.; Yang, B.; Hou, J.2017, doi: 10.1021/jacs.7b02677

Achieving over 13% Power Conversion Efficiency in Organic Solar Cells

WEI Zhixiang

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10.3866/PKU.WHXB201706141